GaN HEMT器件的AlN缓冲层MOCVD外延生长研究

倪洪亮，吴金星

(1.中国船舶重工集团公司第七二三研究所，江苏 扬州 225101;2.西安电子科技大学，陕西 西安 710071)

0 引 言

在电子对抗技术高速发展的当下，微波固态功放相对于真空管放大器具有可靠性高、寿命长、工作电压低等特点，因此在电子对抗及雷达领域有着非常广泛的应用，其性能指标直接制约着整个电子对抗系统的整机性能和技术水平。随着技术的进步尤其是现代电子对抗系统发展的迫切需求，原先基于砷化镓(GaAs)材料的功率器件已经无法满足对更高频率、更高功率的追求，这就需要新的材料来突破这个瓶颈。GaN作为第3代半导体材料具有宽禁带半导体特性、高击穿场强、高饱和电子漂移率及抗辐射能力强等优点，其微波功率性能远优于Si、GaAs等传统材料，特别适合制作应用于高频、高功率、抗辐射等环境的功率器件，并且可以在高温等恶劣环境下工作，这就为现代电子对抗装备的应用提供了很好的基础[1-2]。要满足以上应用需求，对基于GaN材料微波固态功放的核心器件——GaN高电子迁移率晶体管(HEMT)的制备技术提出了很高的要求。获得高性能的GaN HEMT器件，需要高晶体质量的材料作为支撑。AlN缓冲层是GaNHEMT器件的外延结构的基础(其完整的外延结构如图1所示)，AlN缓冲层的晶体质量会直接影响后续外延层的晶体质量，所以AlN缓冲层的晶体质量尤为重要。本文着重探讨在制备GaN HEMT器件过程中如何提高AlN缓冲层的生长质量。

目前，通过常规的有机化学气相沉淀(MOCVD)技术外延生长高质量的AlN材料仍面临着巨大挑战[3]。高质量AlN材料的制备已经成为了阻碍GaN材料相关器件发展的一大瓶颈。材料外延制备过程中面临着很多的难点[4]。其中，位错是一个重要的影响因素，由于Al原子表面迁移困难导致三维生长以及外延生长过程中，晶体中存在大量的刃型位错和螺旋位错，位错密度普遍在1010cm-3以上[5-7]，导致了外延生长的AlN薄膜晶体质量较差。得到低位错密度的AlN是实现高效率器件的基本要求。

为了获得高结晶质量的AlN缓冲层，在对脉冲法生长和常规生长实验优化的基础上，将2种生长方式结合起来进行AlN的生长，有效降低了晶体中的位错。制备了结晶质量较高的AlN，为后续高质量的GaN HEMT外延层的生长提供了较好的基础。

1 基础制备工艺设定

在本文工作中，利用西安电子科技大学自主研发的MOCVD120系统进行AlN材料的外延生长。生长所用的金属有机源是三甲基铝(TMAl)，用到的气体源是氢气、氮气、氨气。在外延生长过程中，氢气和氮气一般作为载气，氨气作为反应中的N源。在生长AlN材料的已有基础上对脉冲法生长过程进行优化，结合高温连续生长制备高质量的AlN模板材料。在生长中，通过调节生长参数以提高脉冲法生长中的AlN生长速率，研究了生长参数对脉冲法生长的AlN材料的位错密度以及表面形貌的影响。

具体的外延生长流程可分为2步进行：

(1) 外延生长前，放入反应室的衬底在H2和NH3的气氛中进行退火，退火温度为970 ℃左右。

(2) 温度降低至580 ℃进行低温成核层的生长,完成低温成核层生长后温度回升至1 030 ℃,开始进行PALE-AlN的外延生长。在PALE-AlN生长过程中,TMA1源保持常开,而NH3采用脉冲方式交替通入反应腔或者进入旁路,具体通断时间如图2所示,NH3中断和通入反应腔的时间分别是12 s和6 s,生长过程中反应腔压强控制在5.33×103Pa。在获得最优生长参数之后，釆用脉冲法生长与连续生长相结合的方式进行AlN材料的生长。

采用原子力显微镜和XRD对材料的质量进行测试分析。本文的所有工作都是在5.08 cm的MOCVD系统上进行的。

2 外延生长工艺优化与分析

2.1 脉冲法工艺研究

编号XD7302样品的生长条件是本文展开实验的基础。其外延结构的示意图及温度曲线如图2所示。

图2 样品XD7302的外延结构示意图及温度曲线

样品生长完毕之后，如图3所示，首先对样品进行(002)面X射线衍射(XRD)的测试，基于我们的设备常规法生长的AlN基板的半高宽在0.15°左右，而通过脉冲法生长的样品的半高宽仅为0.12°。再对样品进行原子力显微镜(AFM)表征，在5 μm×5 μm大小的区域上的形貌图像如图4所示。通过观察，脉冲法生长的样品表面虽然出现了较多的孔洞，但是样品的表面均方根粗糙度(RMS)仅为0.339 nm。

图3 脉冲法生长AlN样品XD7302的(002)面的XRD摇摆曲线

图4 XD7302样品AFM测试图像

通过XRD和AFM的测试结果可以得出以下结论：脉冲法可以有效提高材料的结晶质量。通过分析，原因主要有以下几点：首先，通过脉冲法间断通入氨气，可以有效减少预反应，从而使得由于预反应带入的位错减少。另外，通过脉冲法生长，可以使得Al原子表面迁移更充分，增强AlN的机动性，使质量。

得Al原子能够更快地进入格点，提高材料的结晶通过前面的实验，得到了优化后的快速PALE生长参数。接下来希望通过将PALE生长方式与连续生长方式结合,通过生长方式的转变来改变A1N的生长模式,以达到降低位错的目的。

2.2 脉冲法与连续生长结合工艺研究

根据已有实验基础，对生长方式进行改变。期望通过转变生长方式来使得AlN的生长方式发生改变，以达到提高晶体质量的目的。这种生长工艺的结构如图5所示。

图5 脉冲法与连续生长结合工艺生长结构

编号为XD7348、XD7349的生长条件如表1所示。另，PALE-A1N生长过程中NH3流量为1.33×10-8m3/s，保持不变。NH3脉冲时间为0.1 min,中断时间为0.2 min。连续生长过程中样品第2个连续生长过程中，XD7348的反应腔压强为5.33×103Pa，XD7349的反应腔压强为1.33×104Pa。对样品进行XRD表征，其测试结果如图6所示。通过测试结果可以看出，样品XD7348和XD7349的(002)面的半高宽从0.024°降到了0.021°,(102)面的半高宽从0.332°降到了0.309。说明样品中的位错密度降低，材料质量有所提升。由分析可知，通过这种工艺进行生长，可以有效降低材料中的螺旋位错和刃位错的密度，整体上能够有效提升材料的晶体质量。而且可以知道，生长过程中的压力对此有一定的影响。

表1 样品生长条件

沿着以上思路继续进行实验，保持原来的生长条件，继续升高第2个连续生长过程的反应室压力，升到2.66×104Pa，得到样品XD7352。通过XRD测试得到的曲线如图7所示，通过分析可以发现：压力的继续升高使得样品的(102)面的半高宽有所降低，但是降低的幅度比较小。我们认为，在适当的压力下，Al原子会有很高的活跃性,并与N原子结合扩散到衬底上进行生长，当压力过高或者过低的时候，使得生长速率加快，而对Al原子的吸收速率下降，从而影响结晶质量。

图6 样品XD7348、XD7349的XRD测试曲线

换一种思路，在保持原来条件不变的情况下，改变通入氨气的量,得到样品XD7354，XD7355。并且样品XD7355增加50 min的一个连续生长过程。XD7354和XD7355的反应腔压力均为1.33×104Pa。利用XRD进行表征，样品的XRD结果如图7所示，由结果分析可以知道，通过这种工艺，在改变生长过程中的氨气流量时，可以有效降低材料的(102)面的半高宽，即可以有效降低材料中的刃型位错的浓度。通过以上现象，我们认为，氨气量增加在这种工艺下更有利于反应，提高结晶质量。当继续长厚时，又引入了新的位错，使得半高宽稍微有所升高。

为进一步分析这种工艺的有效性，对样品XD7354和XD7355进行AFM的5 μm×5 μm表征，图8为样品AFM表征下的三维形貌图。通过AFM图像可以看出：XD7354表面比较平整，表面RMS为0.271 nm。在样品XD7355增加一层连续生长层的情况下，生长出的AlN呈现三维生长，总体比较均匀，表面的RMS为0.685 nm。

3 结束语

通过以上实验结果可以知道，通过脉冲生长的方式可以有效提高GaN HEMT器件中AlN缓冲层晶体的质量，降低外延层的位错密度。通过脉冲生长加连续生长的方式，不仅可以有效提高外延层生长的速率，而且还可以有效提高晶体的结晶质量。通过脉冲加连续的生长方式使得(002)面的半高宽降到了0.027 8°以下，但(102)面的半高宽仍然较高。实验过程中出现的(002)面与(102)面的半高宽不能同时降低的现象也需要通过继续优化工艺进行解决。由实验也能发现，通过脉冲加连续生长的方式生长的AlN模板平整，粗糙度也得到有效控制。

总体来说，通过实验得到了质量较高的AlN缓冲层模板，为后续GaNHEMT器件的外延结构的生长打下了良好的基础；这对获得高性能电子对抗和雷达装备所需的基于GaN材料微波固态功率器件的制作有着很大的意义。

图7 样品XD7352、XD7354、XD7355 的XRD测试曲线

图8 样品AFM表征下的三维形貌图